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第 19 卷第 1 期 粉末冶金材料科学与工程 2014 年 2 月 Vol.19 No.1 Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy Feb. 2014 风电用铜基粉末冶金制动闸片的制备与性能 于 潇 1，郭志猛1，郝俊杰1，赵 翔1，彭 坤1，杨 剑1，裴广林2 1. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083；2. 西安航空制动科技有限公司，西安 713106 摘 要以电解铜粉、还原铁粉、石墨等为主要原料，采用粉末冶金加压烧结工艺制备风电用铜基粉末冶金制动 闸片，利用高温膨胀仪测定压坯在氢气气氛下的烧结动力学曲线，并表征烧结样品的显微组织与力学性能和摩擦 磨损性能。 结果表明 该制动闸片的最佳烧结温度为 830 ℃； 在此温度下烧结的制动闸片的布氏硬度为 42.7 HBS， 抗压强度达到 222 MPa，抗弯强度为 108 MPa；在 MM-1000Ⅱ摩擦磨损试验机上进行 20 次动摩擦实验，摩擦因 数稳定在 0.3 左右，磨损率仅为 0.021 6 cm3/MJ，具有良好的制动性能，能够满足我国风力发电用制动闸片的使用 性能要求。 关键词粉末冶金；制动闸片；烧结动力学；摩擦磨损 中图分类号TF125.9 文献标识码A 文章编号1673-022420141-66-05 Preparation and properties of copper-based powder metallurgy brake pad for wind turbine YU Xiao1, GUO Zhi-meng1, HAO Jun-jie1, ZHAO Xiang1, PENG Kun1, YANG Jian1, PEI Guang-lin2 1. Institute of Advanced Material and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Xi’an Aviation Brake Technology Co., Ltd., Xi’an 713106, China Abstract The copper-based P/M brake pad for wind turbine was prepared by pressure sintering using electrolytic copper powder, reduced iron powder and graphite as main raw materials. The sintering kinetics curves were investigated and the microstructure was characterized. Moreover, the mechanical properties and friction and wear perance were tested. The results indicate that the optimum sintering temperature of the brake pad is 830 ℃, the Brinell Hardness, the compressive strength and the bending strength are 42.7 HBS, 222 MPa and 108 MPa, respectively. Twenty dynamic friction experiments were carried out on the MM-1000II-type friction and wear testing machine. The friction coefficient is stabilized around 0.3 and the wear rate is only 0.021 6 cm3/MJ. Excellent braking perance can satisfy the requirements of brake pad for wind turbine. Key words powder metallurgy; brake pad; sintering kinetics; friction and wear 随着能源短缺、环境污染等问题的加剧，新能源 的开发和利用已成为当务之急[1]。风能作为一种取之 不尽、用之不竭的无污染可再生清洁能源，各国都在 大力开发和利用[2]。制动闸片是风力发电机组中不可 或缺的组成部件，其性能影响风力发电的安全可靠性 和发电效率[3]。风电机组用摩擦材料的主要功能是通 过摩擦将旋转部件的动能转化为热能，并将热量吸收 或散发掉，从而逐步降低摩擦材料和与其贴合部件的 相对速度，直到停止运动[4]，所以要求风电制动材料 具有高速度、 高压力、 高摩擦因数和低磨损率等特点。 目前国内风电机组制动闸片材料的研究和生产均处于 起步阶段[5]，关于此类材料的报道较少。铜基粉末冶 金摩擦材料具有高导热系数、高摩擦因数、低磨损率 及优良的力学性能，广泛应用在飞机、汽车和工程机 械的制动装置中[6]，大功率风电机组制动闸片通常也 采用这类材料[5]。 烧结是粉末冶金工艺的关键工序[7]。对于粉末冶 金摩擦材料，烧结直接影响致密度、晶粒组织及各组 基金项目国家高技术研究发展计划863 计划资助项目2013AA031104 收稿日期2013-05-21；修订日期2013-06-12 通讯作者郭志猛，教授，博士。电话010-62334376；E-mail zmguo 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 19 卷第 1 期 于 潇，等风电用铜基粉末冶金制动闸片的制备与性能 67 元分布，最终决定材料的力学性能和摩擦磨损性能， 但烧结是 1 个多因素交互影响的复杂过程，而膨胀收 缩曲线能很好地揭示烧结机理和确定最佳烧结工 艺[8]。因此，本文作者在参考国外资料的基础上，结 合我国风力发电的实际情况，重点研究铜基粉末冶金 摩擦材料的烧结动力学特征，确定最佳烧结温度，以 便获得最佳晶粒组织和最好的综合性能，从而得到满 足风力发电机组使用要求的铜基粉末冶金闸片材料， 为其国产化奠定基础。 1 实验 1.1 原料及组成 以电解铜粉、还原铁粉、鳞片状石墨等为主要原 料制备风电用铜基粉末冶金制动闸片。原料的主要性 能及制动闸片的原料配比分别列于表 1 和表 2。 表 1 原材料的主要性能指标 Table 1 Characterization of raw materials Raw material Particle size/μm Mass fraction, w/ Cu ≤75 ≥99 Fe ≤75 ≥98 Sn ≤75 ≥99 C ≤200 ≥90 Pb ≤75 ≥99 MoS2 ≤150 ≥99 SiO2 ≤150 ≥97 Al2O3 ≤150 ≥99 表 2 铜基粉末冶金制动闸片的原料配比 Table 2 Component of copper-based P/M brake pad mass fraction, Cu Alloying elements Sn, Fe Lubricants C, Pb, MoS2 Friction components SiO2, Al2O3 6270 1020 1018 312 1.2 材料制备 采用粉末冶金加压烧结工艺制备直径为 40 mm、 厚度为 10 mm 的铜基粉末冶金制动闸片及一系列性 能分析用样品。首先将各种金属粉末分别置于氢气管 式炉中进行还原，非金属粉末进行真空烘干处理，再 用不锈钢筛网筛分。按表 2 所列配比配料，添加机油 1 mL机油/100 g混合料后于V型混料机上混合810 h，在 400600 MPa 压力下于钢模中冷压成形，然后 在加压烧结炉中与钢背表面镀铜进行加压烧结。平 均升温速率为 510 ℃/min，保温时间为 34 h，烧结 压力为 23.5 MPa，采用还原性气体氢气进行保护， 试样随炉冷却到温度低于 100 ℃后出炉。利用高温膨 胀仪测定压坯的烧结动力学曲线， 确定最佳烧结温度。 氢气流量为 1 L/min，升温速率 10 ℃/min。 1.3 性能测试 利用LEO-1450型扫描电镜观察Cu基粉末冶金闸 片的微观组织；采用阿基米德排水法测量闸片密度； 用 HB-3000 布氏硬度计测量其表观硬度； 用 CMT4105 型电子万能试验机测定材料的抗拉、抗压及抗弯强度 抗拉样品尺寸为 15 mm3 mm3 mm；抗压样品为 直径 5 mm 高 6 mm 的圆柱体；抗弯试样尺寸为 35 mm5 mm5 mm；制动闸片的摩擦磨损试验在 MM-1000Ⅱ型摩擦磨损试验机上进行，对偶材料选用 45合金结构钢，试验条件列于表 3。 2 结果与讨论 2.1 烧结动力学特征 图 1 所示是 Cu 基 P/M 闸片的烧结动力学曲线。 由图 1a可知，压坯在约 220 ℃前由于受热而发生轻 微膨胀；220 ℃开始快速膨胀，这是由于低熔点金属 开始熔化， 熔体渗入固体颗粒之间， 并且随温度升高， Cu 和 Sn 经过共晶反应及包晶反应，形成各种 Cu-Sn 合金新相， 导致压坯膨胀[9]， 610 ℃时线性膨胀量达到 最大值，约 358 m；670 ℃开始收缩，直到停止加热， 主要是因为液相的出现促进颗粒滑动、旋转、重新密 排， 导致烧结体收缩[10]， 合金的最终膨胀量为 146 m。 图 1b是压坯的膨胀速率曲线，在 300 ℃时具有最大 膨胀速率 15.4 m/s，主要源于 Cu-Sn 合金化；830 ℃ 表 3 摩擦磨损试验条件 Table 3 The conditions of friction and wear test Pressure/MPa Rotational speed/r min−1 Rotary inertia/kg m2 Temperature/℃ Friction area/m2 0.65 5360 0.88 60280 108 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金材料科学与工程 2014 年 2 月 68 图 1 Cu 基粉末冶金闸片的烧结动力学曲线 Fig.1 The sintering kinetics curves of Cu-based powder metallurgy friction material Hydrogen flow rate 1 L/min, heating rate 10 ℃/min aCurves of temperature and expansive amount with time; bCurve of expansion rate with temperature 下具有最大收缩速率 20.9 m/s。 青铜合金的标准烧结 温度为 815～870 ℃，这时形成最佳的 α 相晶粒组 织[11]，因此确定 Cu 基 P/M 闸片材料的烧结温度为 830 ℃。 2.2 显微组织分析 图 2 所示为 830 ℃下烧结的 Cu 基粉末冶金闸片 的微观组织形貌。图 2a为摩擦层的整体形貌，其灰 白色区域 A 为铜锡合金基体，摩擦表面平整且孔隙度 较小；深灰色部分 B 为 Fe 相，较均匀地分布在基体 中；黑色长条状组织为石墨，沿垂直于压力的方向呈 层状均匀分布于金属基体之间。由于石墨与 Cu、Sn 间不互溶，在石墨与金属的界面处出现狭长的扁孔。 从图 2b可见硬质相颗粒镶嵌于基体中，与基体之间 有良好的浸润。图 2c为基体放大后的形貌。相比硬 质相颗粒，Fe 与 Cu 的润湿性较好，存在少量互溶， 因此 Fe 相与 Cu 基体的结合处孔隙较少，结合强度较 高。Fe 在 Cu 中的固溶度较小一般不超过 0.4 0.5， Fe 颗粒呈游离态分布于 Cu 基体中起到一定的 颗粒强化作用。图 2d为闸片的截面形貌，可见钢背、 镀铜层和摩擦层之间结合良好，没有出现因氧化、夹 杂导致的孔隙、裂纹等。 2.3 力学性能 表 4 所列为 Cu 基粉末冶金闸片的力学性能。布 氏硬度为 42.7HBS，与普通的铜基粉末冶金摩擦材料 相当，其表观硬度主要是由基体的强度和材料的孔隙 度决定的[12]。对于风力发电机来说，制动闸片的强度 是衡量闸片质量的重要参数。本研究制备的 Cu 基粉 末冶金闸片的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度分别为 43.6、222 和 108 MPa。闸片的抗拉强度远低于纯铜的 抗拉强度 220250 MPa，原因是石墨和硬质颗粒的加 入会分割铜基体，二者与基体之间存在孔隙，从而导 致材料的抗拉强度降低。闸片的抗压强度和抗弯强度 都很高，主要是合金元素铁的作用。尽管铁在铜中的 溶解度很小，但铁颗粒均匀地分布在铜基体内，成为 独立的镶嵌物，减小了材料内部应变区的扩展，使塑 性变形趋势减小， 提高了基体材料的抗塑性流变能力， 从而提高材料的抗压强度和抗弯强度[13]。 2.4 摩擦磨损性能 图 3 所示为 Cu 基粉末冶金制动闸片与 45合金结 构钢进行 20 次对摩的结果。作为风电制动摩擦材料， 需要具有以下特点工作速度范围从 0.2～50 m/s，摩 擦因数稳定在 0.250.5 之间，磨损率较低。本实验制 备的闸片的平均摩擦因数稳定在 0.3 左右，线磨损率 为 0.021 6 cm3/MJ，制动时间维持在 2224 s。可见其 表 4 Cu 基粉末冶金闸片的力学性能 Table 4 Mechanical properties of brake pad sample Density/g∙cm−3 Hardness/HBS Tensile strength/MPa Compression strength/MPa TRS/MPa 5.7 42.7 43.6 222 108 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 19 卷第 1 期 于 潇，等风电用铜基粉末冶金制动闸片的制备与性能 69 图 2 铜基粉末冶金制动闸片的组织形貌 Fig.2 Microstructures of sintered samples aFrictional surface; bFriction component; cMatrix; dCross section 图 3 制动闸片的摩擦试验结果 Fig.3 The results of 20 friction tests 摩擦因数稳定，磨损量小，可以满足风电机组用制动 闸片的使用要求。 3 结论 1 以 Cu 为基体，Fe、Sn 为合金元素，C、Pb、 MoS2为润滑组元，SiO2、Al2O3为摩擦组元，采用加 压烧结工艺制备铜基 P/M 制动闸片，烧结过程中，在 220～610 ℃范围内发生剧烈膨胀，Sn 熔化并与基体 形成 Cu-Sn 合金，300 ℃时出现最大膨胀速率 15.4 m/s；烧结温度为 830 ℃时具有最大收缩率。 2 闸片中各组元分布均匀，闸片与钢背结合紧 密。 3 闸片的布氏硬度为 42.7 kg/mm2，抗拉强度、 抗压强度和抗弯强度分别为 43.6、222 和 108 MPa。 摩擦因数稳定在0.3左右， 线磨损量为0.021 6 cm3/MJ， 完全可以满足风力发电机组对制动闸片材料的使用 要求。 REFERENCES [1] 梁昌鑫, 贾廷纲, 陈孝祺. 国内外风电的现状和发展趋势[J]. 上海电机学院学报, 2009, 121 73−77. 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